초록 ▼

Ⅰ. 제 목
연삭메카니즘의 핵심부품 설계기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 필요성
현재 수입되고 있는 연삭기는 대부분 정밀도를 요하는 각종 생산라인의 마무리가공기에 집중되어있어 고부가가치 및 핵심부품의 생산기술에 있어 외국기술에 대한 기술 종속이 배가되고 있다.
현재 절삭공작기계 내수 시장(약 16,461억원, 2000년기준)의 67%를 수입에 의존하고 있으며 그 가운데 연삭기는 수입금액이 약 48,931,000$로 절삭공작기계 중 수입의존도가 가장 높아 6.7%에 이름.
연삭기는 대부분의 제품 생

Ⅰ. 제 목
연삭메카니즘의 핵심부품 설계기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 필요성
현재 수입되고 있는 연삭기는 대부분 정밀도를 요하는 각종 생산라인의 마무리가공기에 집중되어있어 고부가가치 및 핵심부품의 생산기술에 있어 외국기술에 대한 기술 종속이 배가되고 있다.
현재 절삭공작기계 내수 시장(약 16,461억원, 2000년기준)의 67%를 수입에 의존하고 있으며 그 가운데 연삭기는 수입금액이 약 48,931,000$로 절삭공작기계 중 수입의존도가 가장 높아 6.7%에 이름.
연삭기는 대부분의 제품 생산공정에 있어 핵심부품의 최종성능을 구현하는 데에 필요한 정밀도를 얻기위해 적용되므로 연삭기 제작기술은 고부가가치산업의 중요한 기반기술이며 기술개발에 의한 파급효과가 매우 큰 기술임
Ⅲ. 연구개발의 목표 및 내용
○ 고강성·고정밀 핵심요소의 설계기술 개발
회전정도 0.5μm이내의 고정밀·고강성 유정압주축 설계기술 개발
운동정도 1μm이내의 고정밀·고강성 유정압/안내면/이송계 설계기술 개발
기상측정을 통한 가공오차의 측정 및 보정기술 개발
○ 고능률 연삭 가공기술 개발
표면조도 0.1μm를 실현할 수 있는 고능률 연삭가공기술 개발
평면 성형연삭의 D/B 구성
시작품 가공특성 평가
드레싱 기구 설계
Ⅳ. 연구개발결과
본 연구에서는 주관기관이 고정밀, 고강성 연삭메카니즘을 구현하는 데에 필요한 유정압요소의 설계/해석기술, 이송계 정밀도향상기술, 시작품 연삭기를 위한 성능평가기술등을 개발하였으며 그 구체적인 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 유정압주축의 설계를 위해 필요한 유정압저어널베어링 및 유정압스러스트베어링의 설계/해석이론 및 그를 이용한 설계 S/W의 개발결과 및 그 운용방법에 대해 간략히 요약하였다. 개발된 S/W는 참여기업인 삼익LMS(주)에 기술이전되었으며, 시작품 연삭기의 설계과정에서 사용되고 시작품의 성능실험을 통해 실용성을 검증하였다.
2. 유정압주축의 강성해석 S/W에 의해 계산된 강성값과 주축 시스템의 물성치를 용하여 주축시스템의 강성을 구하는 해석 소프트웨어를 개발하였다. 이 소프트웨어는 주축 시스템의 정적 처짐을 유한요소법(Finite Element Method)으로 계산하여 그 역수로서 강성을 구하는 프로그램이다.
3. 연삭기의 정삭조건에서 볼스크류의 축방향 변형을 기준으로 좌굴, 위험속도, DmN 속도, 수명을 검토하여 볼스크류와 서포트 베어링을 선정하는 절차를 개발하였으며, 이송계를 구동하는 서보모터를 가속에 필요한 토오크와 절삭에 필요한 토오크를 기준으로 선정하는 방법을 정립하였다.
4. 전달함수법에 의한 운동오차 해석결과는 복수패드법을 이용한 이론해석결과와 잘 일치하고 있어 운동오차 해석에 보다 효율적임을 확인하였다.
5. 본 연구에서 산출한 전달함수는 유정압패드에 있어서 유막의 평균화효과를 정량적으로 나타내고 있다.
6. 유막의 평균화효과는 기본적으로 높은 공간주파수의 레일 형상오차일수록 크게 나타나게 되며, 패드길이를 정수로 나눈 주기 부근에 있어서 불감주파수가 존재하여, 이 주기의 레일형상오차는 전혀 운동오차에 영향을 주지 않게 된다.
7. 무차원전달함수는 형상치수의 변화등에는 관계없이 포켓폭비의 변화에 의해서만 달라지게 되므로 베어링간극, 공급압력 등의 설계변수를 변화시켜도 운동오차에는 영향을 미치지 않게 된다.
8. 단면지지형과 양면지지형 유정압 테이블에 대한 실험결과, 전달함수법에 의한 이론치와 실험치는 잘 일치하고 있어, 제안한 전달함수 해석법에 의해 유정압테이블의 운동오차를 정량적으로도 정도높게 해석할 수 있음을 확인하였다.
9. 운동오차 측정치를 이용하여, 3개이상의 멀티패드를 갖는 테이블에 대해서도 유막반력의 변화를 산출할 수 있는 모델링기법을 제안하였으며, 계산결과의 검토로부터 유막반력의 정해가 얻어짐을 확인하였다.
10. 유막반따라 참 레일의 형상오차와는 다소 차이가 있는 결과를 나타내지만, 양 레일에 의한 운동오차는 잘 일치하는 결과를 보여 수정가공을 위한 역해석법의 유효성을 확인할 수 있었다.
11. 추정된 형상오차의 일부를 수정가공량으로 결정하고 수정가공을 실시해도, 그에 따른 운동오차는 예측한 운동오차와 잘 일치하는 결과를 나타내었으며, 이에 따라 목표정밀도에 맞추어 수정가공정보를 결정하는 것이 충분히 가능함을 이론적으로 확인하였다.
12. 수정가공 알고리즘을 적용하여 수정가공실험을 수행한 결과, 단면지지형 테이블의 경우 0.13μm의 직선운동오차 및 1.40arcsec의 각운동오차까지를, 양면지지형 테이블의 경우 0.07μm의 직선운동오차 및 1.42 arcsec까지의 각운동오차를 달성할 수 있었다.
13. 수정가공실험은 전혀 래핑작업의 경험이 없는 미숙련자가 약간의 예비실험후에 행한 것으로, 알고리즘의 적용에 의해 미숙련자도 테이블의 운동정밀도를 대폭적으로 향상할 수 있음을 확인하였다
14. 수정가공시에 가공오차가 발생해도 알고리즘의 반복적용을 통해 운동정밀도를 향상시킬 수 있으나, 수정가공 실시회수가 증가할수록 고주파성분이 증가하여 가공이 어려워지므로, 실용적인 면에서 보다 향상된 운동정밀도를 얻기 위해서는 가능한한 수정가공 실시회수를 줄일 필요가 있음을 알 수 있다.
15. 반전법과 3점법 회전정도 측정의 원리를 밝혔으며 이 원리에 따라 실제 주축의 회전정도를 측정할 수 있는 하드웨어 시스템을 각각 구성하였다.
16. 반전법과 3점법 회전정도 측정을 위한 회전정도 측정 소프트웨어를 개발하였으며 작성된 소프트웨어는 3점법과 반전법을 모두 측정할 수 있으며 재현오차(systematic error) 및 우연오차(random error)의 분리산출 기능이 있고 측정 결과를 그래픽으로 표현하여 사용자 편의성을 강화하였다.
17. 이송계의 진직도, 직각도, 각운동정도, 위치결정정도를 측정 및 평가하는 소프트웨어를 개발하였으며, 이를 실제 시스템에 적용하여 검증하였다.
18. 평면연삭기 대형 부품의 조립정밀도 평가를 위해 삼차원측정기 데이터로부터 면을 구성하고 기하학적 관계를 계산하는 알고리즘을 개발하였으며 이 알고리즘을 이용하여 실제 삼차원 측정 데이터로부터 기하학적 관계를 구해주는 소프트웨어를 개발하였다.
19. 평면연삭기 시작품 유정압 주축의 회전정도를 3점법으로 측정하였다. 측정된 시제품 유정압 주축의 평균(재현)오차는 0.34㎛이고 랜덤오차는 0.47㎛로서 개발 목표치인 0.5㎛를 만족하고 있음을 확인하였다.
20. 연삭숫돌의 원주 및 축방향 형상을 레이저스캐닝 마이크로 미터로 측정하여 연삭숫돌의 마모를 모니터링 하는 시스템을 개발하였다. 실제의 연삭기에 적용한 결과 숫돌의 마모 뿐만 아니라 외경 측정이 효과적임을 알 수 있었다.
21. 리니어가이드의 블록을 연삭하는 고정에서 숫돌 마모 및 표면조도를 최적화 하기 위한 시뮬레이션 연구를 수행하였으며, 최적조건을 선정할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.
22. 레이저 변위센서를 이용하여 공작물과 연삭 정밀도를 기상측정하는 시스템을 개발하였으며, 실험을 통하여 검증하였다.
Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
고정밀·고강성 평면/성형연삭기 상품화에 활용
중대형 고강성 평면/성형연삭기 상품화에 활용
레일, 블록연삭기 및 대형 5면 연삭기 등의 고정밀화 개발에 활용
정밀주축/안내면등 핵심요소유닛트 상품화에 활용
고정밀 대형 전용연삭기사업 개발에 활용

Abstract ▼

Ⅰ. Title
Design technology of principal components for high precision grinding mechanism
Ⅱ. Necessity of the research
High precision finishing Process of manufacturing line usually used grinding machine, that is imported foreign country. So, dependancy of foreign technology in manufact

Ⅰ. Title
Design technology of principal components for high precision grinding mechanism
Ⅱ. Necessity of the research
High precision finishing Process of manufacturing line usually used grinding machine, that is imported foreign country. So, dependancy of foreign technology in manufacturing High valuable components is increasing.
Imported cutting machine's domestic market share(16,46 billion won in 2000) was about 67%. And, among the imported cutting machine, amount price of imported grinding machine was 48,931,000＄ which was 6.7% of imported cutting machine.
Development of manufacturing technology for grinding Process has much influence on other industry for High value added components. Because, grinding machine is used finishing Process for precision dimension, mirror surface etc.
Ⅲ. Objectives and contents of the research
○ Development of design technology for high precision and high stiff components grinding machine
Development of design technology for 0.5μm rotational accuracy high precision and high stiff hydrostatic spindle.
Development of design technology for 1μm straightness high precision and high stiff hydrostatic guide way.
Development of measuring and compensation technology using on-machine measurement.
○ Development of high efficiency machining technology
Development of high efficiency grinding technology for 0.1μm surface roughness.
Construction of D/B about surface forming grinding process
Evaluation of grinding surface character of prototype machine
Design technology of dressing equipment
Ⅳ. Result of the research
In order to realize the high precision and high stiffness grinding mechanism, design & analysis technology of hydrostatic motion elements, improvement of positioning accuracy and performance evaluation technology for prototype grinding machine are developed in this study.
Results from the study are as belows:
1. Design and analysis theory for hydrostatic journal and thrust bearings of hydrostatic spindle are abstracted in this study. A design software utilizing the theory is developed. The software is technically transferred to the co-worked company and is used for design prototype grinding machine. Effectiveness of the design software is verified indirectly by experiment on the performances of prototype machine.
2. An software which analysis the stiffness of the hydrostatic spindle system is developed and this software has input parameters such as bearing stiffness and properties of spindle system. The developed software calculates static deflections by using Finite Element Method.
3. Design procedure of ballscrew and support unit is developed, which is based on deformation of ballscrew system and checked other parameter such as buckling ,critical speed. And, seizing servo motor is also developed, which is considered acceleration force and cutting force.
4. Motion errors analyzed by Transfer function method shows good agreement with motion errors analyzed by Multi-pad method. Therefore it is confirmed that the Transfer function method is very effective to analyze the motion errors of hydrostatic guideway.
5. Transfer function presents 'accuracy averaging effect of oil film quantitatively in hydrostatic pad.
6. Accuracy averaging effect is increase as the spacial frequency of rail form error is higher, and the non-sensitive frequencies which have integer periods within the length of a pad, give no influence on the accuracy of hydrostatic guideway.
7. Dimensionless transfer function is varied only by the variation of pocket width ratio. Therefore design parameters like as bearing clearance, supply pressure has no effect on the motion accuracy of hydrostatic guideway.
8. Calculated motion errors show good agreement with experimental results. From this, it is confirmed that motion errors of hydrostatic guideway can be analyzed accurately by the proposed transfer function method in single side table and in double sides table.
9. Modeling technics which calculates the film forces from the measured motion errors, is proposed, and it is confirmed that the exact solution can be acquired by the modeling technics theoretically.
10. In the case of evaluating the rail form error from the calculated film forces, the evaluated rail profile shows some difference with true rail profile as insensitive frequencies and high frequencies are ignored. But the motion errors calculated both rail profiles show good agreement, and from this results, it is confirmed that the reverse analysis method is very effective.
11. Motion errors by partly corrective lapped rail out of corrective machining information, show good agreement with analyzed motion errors, and from this result, it is confirmed that it is possible to determine the corrective machining information corresponding to target accuracy.
12. By the experiment of corrective machining, motion error is improve up to 0.13μm in linear and also improved up to 1.4arcsec in angular, in single side table. Motion error also improve up to 0.07μm in linear and upto 1.42arcsec in angular, in double sides table.
13. Experiment is conducted by an unexperienced person on lapping, after some of preliminary experiment, and the results show that the corrective machining algorithm very useful to improve the motion accuracy of hydrostatic guideway systematically.
14. Motion accuracy can be successively improved by iterative corrective machining. But as the number of corrective machining is increased, high frequency components of rail profile is also increased, and which works as limitation because of difficulty in machining. Therefore, in order to improve motion accuracy practically, number of corrective machining have to be reduced as possible.
15. Both Theory of reversal method and three-point method for measuring of running accuracy of spindle has been showed and hardware systems which are suitable to these theories are constructed.
16. To measuring the running accuracy of spindle by the reversal method and three-point method, measurement software is developed which has functions of error separation and graphic display of the measuring result.
17. Software of measuring and compensating straightness, squareness, angular error and positioning accuracy is developed. And, proved its usefulness from application to prototype.
18. An algorithm has been developed for evaluating the assembly accuracy between large size parts of the prototype, this includes feature extraction function especially plane and calculating function of geometric relation. A software has been implemented through the algorithm.
19. The running accuracy of the hydrostatic spindle of the prototype has been measured. As the result, systematic error of the spindle is showed 0.34 micron and random error is showed 0.47 micron. These values are satisfied the proposed target value, 0.5 micron.
20. A monitoring system for grinding wheel wear in grinding process is developed in which a laser scanning micrometer is used to measure the circumferential shape as well as the axial shape of grinding wheel. The monitoring system is applied to actual grinding machines. The experimental results show that the monitoring system is useful not only for monitoring the amount of wear in grinding wheel but also for measuring the apparent diameter of the grinding wheel.
21. The simulation study is extended to obtain an optimal grinding condition for minimizing the grinding wheel wear and surface roughness in linear motion guide block grinding process. The optimal condition is validated through an experiment.
22. Two kinds of on-machine measurement systems are made for preliminary investigation of workpieces and grinding accuracy by using a laser displacement sensor. The experimental results show that the on-machine measurement systems are useful for enhancing grinding performance.
Ⅴ. The plan about application of results
Application to manufacturing High precision and High stiff surface forming grinding machine
Application to manufacturing medium/large seize High stiff grinding machine
Application to developing rail and block grinding machine
Application to manufacturing precision machinery components such as precision spindle and precision guide way
Application to manufacturing special exclusive grinding machine

목차 Contents

• 제 1 장 서 론
  제1절 연구개발의 경제·사회· 필요성
  1.1.1 기술적 측면
  1.1.2 경제·산업적 측면
  1.1.3 사회·문화적 측면
  제2절 지금까지의 연구개발 실적
  제2장 유정압주축의 설계/해석기술 개발
  제1절 서론
  제2절 유정압베어링의 기본특성
  2.2.1 보상요소의 특성
  2.2.2 유량특성 및 부하특성
  2.2.3 압력비와 저항비
  2.2.4 마찰력 및 소비동력
  제3절 유정압베어링의 성능해석
  2.3.1 Reynolds방정식의 유한요소화
  2.3.2 유정압베어링에의 적용
  가. Choleski's method
  나. skyline method
  다. 유정압베어링의 성능계산
  1) recess압력의 계산
  2) 부하용량의 계산
  3) 마찰력
  제4절 설계소프트웨어의 구성
  2.4.1 저어널베어링의 설계 S/W
  가. Pre-design모듈
  나. 저어널베어링 메인설계 모듈
  2.4.2 스러스트베어링의 설계 S/W
  제5절 유정압주축의 설계/해석
  2.5.1 유정압주축의 최적화 설계
  2.5.2 주축의 강성해석 S/W개발
  제6절 본장의 결론
  제3장 유정압안내면/이송계의 설계 및 해석기술개발
  제1절 유정압안내면의 설계/해석
  3.1.1 유정압안내면의 성능해석
  가. 지배방정식의 유한요소화
  나. 유정압베어링의 성능계산
  1) recess압력의 계산
  3.1.2 유정압안내면의 설계소프트웨어 개발
  가. 구조 및 형상선택 모듈
  1) 테이블형식 및 형상선택부
  2) 리세스선택부
  3) process선택부
  나. pre-design 모듈
  다. 테이블 메인설계모듈
  라. 설계된 테이블의 성능해석모듈
  제2절 볼스크류 이송계의 설계기술
  3.2.1 볼스크류 설계
  가. 볼스크류 직경선정
  나. 리이드 선정
  다. 지지베어링 선정
  3.2.2 구동모터의 설계
  가. 연속 토오크
  나. 최대 토오크
  제3절 본 장의 결론
  제4장 유정압요소의 성능향상기술
  제1절 유정압안내면의 운동오차해석기술
  4.1.1 서론
  4.1.2 유정압테이블의 모델링
  4.1.3 전달함수법에 의한 운동오차 해석
  가. 전달함수와 유막반력
  나. 유막반력의 계산
  다. 운동오차의 해석
  1) 단면지지형 테이블의 운동오차 해석
  2) 양면지지형 테이블의 운동오차 해석
  4.1.4 전달함수 해석법의 이론적 검증
  가. 검증을 위한 테이블 제원과 변수값 설정
  나. 전달함수의 특성
  1) 싸인파 근사에 관한 검토
  2) 패드형상에 의한 특성
  3) 형상오차의 크기에 따른 영향
  다. 운동오차 해석결과의 이론적 검증
  1) 단면지지형 테이블의 경우
  2) 양면지지형 테이블의 경우
  4.1.5 레일 형상오차와 테이블 운동오차의 관계
  4.1.6 실험장치 및 실험방법
  4.1.7 실험결과 및 고찰
  가. 단면 지지형 테이블의 경우
  나. 양면 지지형 테이블의 경우
  제2절 유정압안내면의 수정가공기술
  4.2.1 서론
  4.2.2 수정가공 알고리즘의 개요
  4.2.3. 역해석법
  가. 유정압테이블의 모델링
  나. 전달함수
  다. 유막반력의 산출
  라. 레일 형상오차의 추정
  4.2.4 수정가공정보의 산출
  4.2.5 수정가공 알고리즘의 이론적 검증
  가. 검증방법과 그를 위한 변수의 설정
  나. 유막반력 계산결과의 검토
  다. 레일 형상오차 추정결과의 검토
  라. 수정가공결과의 검토
  4.2.6 수정가공알고리즘의 실험적 검증
  가. 실험장치의 구성
  나. 실험방법
  다. 주기함수화를 위한 이론적 보정
  다. 단면지지형 테이블의 수정가공
  라. 양면지지형 테이블의 수정가공
  제3절 본 장의 결론
  제5장 주축/이송계의 성능평가기술
  제1절 주축 회전정밀도 평가기술
  5.1.1 회전정밀도 측정의 개요
  가. 주축 회전정도의 개념
  나. 회전오차의 표시방법
  다. 회전오차중심
  1) 회전오차중심에는 다음과 같은 것들이 있다.
  2) 회전오차값은 각각의 회전오차 표시방법에 회전오차중심을 적용하여 이 중심에서 가장 가까운 회전오차와 가장 먼 회전오차와의 간격으로 나타낸다. 그러나 Radial, Tilt motion은 MRS center를, Face와 Axial motion은 PC center를 상용한다.
  5.1.2 3점법 회전정도 평가기술
  가. 3점법 측정원리
  나. 3점법 측정시스템의 구성
  5.1.3 반전법에 의한 주축 회전정도 평가기술
  가. 측정원리
  나. 측정시스템의 구성
  5.1.4 회전정도 측정용 소프트웨어
  제2절 이송계의 운동정밀도 평가기술
  5.2.1 진직도 평가기술
  5.2.2 직각도 평가기술
  5.2.3 각운동정도 평가 기술
  5.2.4 위치결정정도 평가/보정 기술
  제3절 안내면/이송계의 조립정밀도 평가기술
  5.3.1 평면도 및 기하학적 관계 계산 알고리즘
  가. 점 데이터로부터 면의 구성(Feature extraction : Plane)
  나. 기하학적 관계
  5.3.2 면구성 및 기하학적 관계 계산 프로그램
  제4절 시작품연삭기 주축의 성능평가
  5.4.1 유정압주축의 회전정도측정(실험용 주축)
  5.4.2 속도에 따른 회전오차 형태
  제5절 본장의 결론
  제6장 연삭 가공 시스템의 고능률화
  제1절 서 론
  6.1.1 연구개발의 필요성
  6.1.2 연구개발의 목적
  제 2 절 국내외 기술개